高层建筑结构的抗风设计
一、前言
当前，我国高层建筑的高度不断增加，加之全球气候和环境问题，使得高层建筑抗风设计受到人们的广泛关注。

二、高层建筑抗风的研究方法
结构抗风性能研究的主要方法有风洞试验、CFD数值模拟、理论分析和现场实测四种。

1、风洞试验方法
风洞试验，即在大气边界层风洞中用模型试验来模拟实际结构在风的作用下静力和动力效应。

常用的风洞试验方法包括刚性模型测压试验、高频动态天平试验、节段模型测力试验、节段模型测振试验和气动弹性模型试验等。

刚性模型测压试验也就是按照外形几何相似的原则，以一定缩尺比例制作测压模型进行风洞测压试验。

这种试验方法是一种结构表面上的所有压力测点的同步压力测试法，它要求所有测点同步测试，结构响应的计算可以考虑多模态的影响，但较多测点的同步测试需要较好的试验测试设备。

高频动态天平试验得到理想状态下的结构响应，较容易实现，在高层建筑模型的风洞试验中该方法应用较广，但是它只能考虑一阶直线型模态，不能考虑高阶模态影响，一般只能从理论上进行修正或加入一定的假定来弥补试验的不足。

节段模型测力试验和节段模型测振试验一般使用刚性或弹性支座模型，通常用于桥梁结构，也可以用于其它细长形状的结构。

气动弹性模型试验能够全面考虑结构和气流的相互耦合作用，较为真实地反映结构在大气边界层中的动力响应形式，是进行结构风致响应研究的一种重要手段，但是模型制作和试验都比较复杂。

2、计算流体力学数值模拟的方法
CFD数值模拟，即应用计算流体力学(CFD)技术在计算机上模拟建筑物周围的风压场变化并求解建筑物结构表面的风荷载分布。

它拥有直接模拟实际风环境的能力，但是，建筑物位于大气边界层中，气流在大气边界层中的流动状态十分复杂，往往是计算流体力学中最难模拟的内容。

同时，钝体建筑物周围流场也十分复杂，它是由撞击、分离、回流、环绕和旋涡等组成的，因此就目前来说，CFD 数值模拟方法还是无法替代风洞试验。

3、现场实测的方法
现场实测是一种最直接的研究方法，除了对场地风场和建筑表面风压进行直接测量外，还可以在建筑物表面用传感器测量结构响应，可以用来对其他方法(风洞试验、数值模拟和理论分析)得到的结果进行验证。

虽然，这种方法可以完全真实的反映大型建筑结构风荷载分布和周围流场变化情况，具有很高的参考价值。

但是，该方法周期长、造价高、可预见性差，往往造成该方法实施的难度比较大。

另外，气象条件和地形条件等难以控制和改变也给现场实测带来了极大的困难。

4、理论分析的方法
理论分析，即应用数理统计和数值分析的方法，对其它三种研究方法认识到的现象和结论进行数学化的处理，从而揭示大跨储煤结构风荷载特性研究的规律。

理论分析，一般是在掌握了大量的大型建筑结构风洞试验和CFD数值模拟资料基础上，通过综合分析、概率统计、归纳演绎等方法，得到了相应的规律，这是一种定性分析和统计分析结合的方法。

因而，其它三种研究方法是理论分析的基础，没有了风洞试验、CFD数值模拟和现场实测的研究资料，这种方法就是“无源之水、无本之木”，缺乏足够的说服力。

三、扭转风荷载
1、扭转风荷载特点
扭转风荷载由于不同侧面集中力作用点不一致引起。

由于迎风面、背风面以及两个侧面的脉动风荷载均随时间呈现出不对称分布形态，组成扭转风荷载的分量可以分成顺风向引起的扭矩、横风向引起的扭矩，其中顺风向扭矩主要由于顺风向湍流引起，而横风向扭矩主要由于横风向湍流和漩涡脱落引起。

2、扭转响应控制
对于扭转响应的控制同样可以采用气动措施和改善结构动力特性的方法。

气动措施方面，在建筑设计时，尽量采用规则截面，使建筑形心、结构质心、平均风荷载作用中心重合或位置接近，有效避免初始扭矩。

结构动力特性方面，应保证结构扭转刚度，提高结构扭转自振频率，增加结构阻尼，从而减小扭转方向的共振响应。

四、建筑群干扰
高楼、高楼群迫使气流改变方向造成下冲、缩流、渠化、涡旋、角流、尾流、遮蔽、穿堂风等效应与现象，出现过去没有的局部强风，恶化建筑周围行人高度的风环境，建筑群的相互干扰会使建筑物周围空气流动变化更加强烈、复杂。

临近建筑物的存在改变了建筑物原来的风环境，使得结构所承受的风作用和在孤立状态下的风作用不同，这种现象被称为干扰效应。

干扰效应和很多因素有关，施扰建筑的平面位置、几何形状、高度、宽度、所处的地貌类型以及来流的方向和风速等因素都会对建筑物风致干扰效应产生影响，既有文献从不同的侧面考虑这些因素的影响。